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Urananreicherung: Modell-Trennrohr nach Clusius und Dickel

thermodiffusion isotope separation tube

Ein Trennrohr nach Clusius und Dickel wird benutzt um zwei Gase voneinander zu trennen. Eine wesentliche Anwendung der Kernphysik war, bei Uranhexafluorid (UF6) die Moleküle mit dem leichteren Uran 235 von denen mit dem schweren U238 zu trennen, da für die Kernspaltung nur Uran 235 geeignet ist. In Modelltrennrohren für die Schule werden zwei verschiedene Gase entmischt, z. B. Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid (Modell von Scoli/Phylatex) oder Brom und Luft (Modell von Leybold).

Das Modelltrennrohr von Phylatex - Trennung von Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2)

Das Rohr ist ein geschlossener Glaszylinder, in dessen Mittelachse ein Metalldraht verläuft, der den Zylinder an beiden Enden verlässt. Zur Entmischung des im Rohr befindlichen Gases wird der Draht mittels Ladungsdurchfluss erhitzt. Das Kohlenstoffdioxid sammelt eher unten im Zylinder, der Wasserstoff eher oben, was dadurch deutlich wird, dass der Draht im unteren Teil der Rohrs nach wenigen Minuten zu glühen beginnt.

Modelltrennrohr nach Clusius und Dickel aus der DDR mit einem 80 cm langen Glaszylinder. (Firma Phylatex / Scoli)
Es ist deutlich zu erkennen, wie der Draht schon nach wenigen Minuten im unteren Bereich zu glühen beginnt.
Modelltrennrohr nach Clusius und Dickel aus der DDR mit einem 80 cm langen Glaszylinder. (Firma Phylatex / Scoli)

Wie erkennt man die Trennung von Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) ?

Dazu Klaus Clusius und Gerhard Dickel, 1939a, S. 402f:

Darauf evakuierten wir das Trennrohr und füllten es mit einem Gemisch von 42,5 % CO2 und 57,5 % H2 bis zum Atmosphärendruck. Nach den Versuchen von Chapman und Dootson war bei diesem Gemisch ein besonders großer Trenneffekt zu erwarten. Der Draht wurde mit Gleichstrom auf etwas 500 °C erhitzt und nach einstündigem Betrieb wurden innerhalb einer weiteren Stunde 20 ccm Gas langsam in die Bürette abgezogen. Die Analyse ergab praktisch reines Kohlendioxyd; ein winziger durch Kalilauge nicht absorbierbarer Gasrest konnte mengenmäßig an der Bürette nicht mehr genau abgelesen werden.

Sehr aufschlussreich war bei diesem Versuchen die Beobachtung der Drahttemperatur im verdunkelten Zimmer. Beim Einschalten des Stromes bliebt der Draht wegen der relativ guten Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches zunächst dunkel; gleich darauf begann er aber am unteren Ende schwach zu glühen. Diese Zone verschob sich in dem Maße, wie die Entmischung fortschritt, langsam nach oben. während der untere Teil wegen der schlechten Wärmeleitung des Kohlendioxyds immer stärker ins Glühen kam und sich schließlich auf eine Temperatur einstellte, die nach einer pyrmetrischen Messung zwischen 650° und 700° lag. Bereits nach einer Viertelstunde war der Prozeß beendet. In dem oberen Teil des Trennrohrs blieb der Draht auf eine Länge etwa 10 cm völlig dunkel, um dann nach einem kurzen Übergang von einigen Zentimetern eine bis zum unteren Ende konstante Glühtemperatur anzunehmen. Wir durften schließen, daß in letzterem Bereich das Gas aus reinem Kohlendioxyd bestand, und daß ein Rohrstück von 15 cm zur quantitativen Entmischung bereits ausreichte. Diese Wirksamkeit der einfachen Anordnung übertraf unsere kühnsten Erwartungen.

Wie funktioniert die Trennung von Gasen mit dem Trennrohr?

Dazu Klaus Clusius und Gerhard Dickel, 1939a, S. 399f:

B. Das Prinzip des Trennrohrs

1. Die thermische Diffusion wurde zuerst auf Grund theoretischer Erwägungen von Enskog und offenbar unabhängig von diesem Forscher etwas später von Chapman vorausgesagt. Sie bewirkt in einem Gasgemisch, das einem Temperaturgefälle ausgesetzt ist, einen Diffusionsprozeß in dem Sinne, daß die leichten Moleküle bevorzugt an die Stellen höherer Temperatur wandern. Diesem an sich sich relativ geringfügigen Effekt arbeitet die gewöhnliche Diffusion entgegen, die eine gleichmäßige Verteilung der Moleküle anstrebt. [...]

2. Der leitende Gedanke des neuen Verfahrens besteht darin, den durch die Temperaturdifferenz hervorgebrachten Wärmestrom unter gleichzeitiger Wirkung der Thermodiffusion zu der Ausbildung einer Konvektionsströmung zu benutzen, die das heiße Gas am kalten im Gegenstrom vorbeiführt, wodurch der Trenneffekt verstärkt wird.

Daten des Modelltrennrohrs 08 7022 89 von Scoli / Phylatex

  • Durchmesser des Glasrohrs: 18 mm
  • Länge des Glasrohrs: 80 cm
  • Stärke des Ladungsflusses durch den axialen Draht: 5 .. 5,5 A (hervorgerufen von 15 .. 18 V)
  • Füllung: Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid
  • Firmenaufkleber: Scoli, auch: Phylatex
Rückseite des Trennrohrs
Aufhängung des axialen Drahtes

 

Daten des Modelltrennrohrs 37245 von Leybold

  • zwei konzentrisch ineinandersteckende Glasrohre mit 2 bzw. 0,5 cm Durchmesser
  • Heizwendel an einer Seite mit E14 herausgeführt
  • Füllung: Brom, Luft unter Normaldruck

Literatur

„Geheimdokumente“ auf der Seite des Deutschen Museums:

Beträge von Clusius und Dickel:

Klaus Clusius, Gerhard Dickel (1938): Neues Verfahren zur Gasentmischung und Isotopentrennung. Die Naturwissenschaften 26 S. 546 Klaus Clusius, Gerhard Dickel (1939): Das Trennrohr. - I. Grundlagen eines neuen Verfahrens zur Gasentmischung und Isotropentrennung durch Thermodiffusion. Zeitschrift für
physikalische Chemie 44 (Abteilung B) S. 397 - 450
Klaus Clusius, Gerhard Dickel (1939): Das Trennrohr. - II. Trennung der Chlorisotope. Zeitschrift für
physikalische Chemie 44 (Abteilung B) S. 451 - 473

 

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